Инженеры из Университета Тафтса создали гибкую электронику, состоящую из интегральных схем на основе нитей, которые могут изгибаться, сворачиваться, растягиваться и подстраиваться под контуры тела и его движения, могут принимать любую форму, их можно вшить в одежду или обернуть вокруг изогнутых и подвижных поверхностей.
Подобные устройства, носимые на теле или прикрепляемые к коже, могут отслеживать широкий спектр биомаркеров или условий окружающей среды, а приложения на основе искусственного интеллекта могут синтезировать полученные данные в полезную информацию для фитнеса, здравоохранения и восстановления после травм или болезней.
Чтобы добиться этого, Самир Сонкусале, профессор инженерной школы имени Джона А. Леви, и его коллеги, в том числе Мэтт Панцер, профессор инженерной школы имени Э. Инк, создали каждый компонент сложных интегральных схем — от транзисторов до датчиков — в виде нитей. Устройства описаны в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Носимые устройства, такие как смарт-часы и смарт-кольца, популярны — ими пользуются более трети взрослого населения США, — и многие из них позволяют отслеживать состояние здоровья. Интегральные схемы на основе нитей могут помочь сделать носимые устройства для мониторинга здоровья более удобными и незаметными. Их можно встроить в одежду, использовать в качестве мягких интерфейсов или нитей, контактирующих с кожей и естественным образом движущихся вместе с телом.
По всей схеме устройства проходят тонкие нити, покрытые золотом. Крошечные, полностью гибкие транзисторы — основа любого цифрового устройства — прикреплены к нити, которая включает в себя проводящий материал, похожий на пластик, соединяющий золотую нить, ведущую к транзистору и от него. Поток электронов в транзисторе можно включать и выключать, как кран, в зависимости от второго тока, который управляет «затвором», действующим как клапан.
Важным нововведением, сделавшим возможным создание нитевидных устройств, является так называемый эвтектогель. Гель позволяет создать зазор менее миллиметра между двумя концами электронной нити, где можно контролировать поток электронов, будь то в нитевидном резисторе, конденсаторе, датчике или другом компоненте. Другие исследователи использовали для соединения проводов гидрогели, которые могут высыхать. В отличие от них, эвтектогель стабилен, мягок и совместим с контактом с телом или внутри тела.
Эвтектогель также наделяет транзистор способностью к «самовосстановлению». Если гель разрушается, исследователи показали, что, соединив его части и слегка нагрев, можно восстановить его механическую и электрическую функции. Сама нить не подлежит восстановлению после разреза, но компоненты геля можно соединить.
В отличие от традиционных интегральных схем, для изготовления которых требуется фотолитография — нанесение на поверхность структурированных слоев материала — или высокотемпературная обработка, для их производства не нужна «чистая комната». Это делает данный подход более совместимым с мягкими полимерами и текстильными материалами, а также позволяет разрабатывать устройства с помощью недорогого производства.
«Перенеся электронику с плоских пластырей на нити произвольной формы, мы открыли путь к носимой биоэлектронике, которая больше похожа на волокна, чем на аппаратные средства, — говорит Сонкусале. — Она будет мягкой, эластичной и сможет повторять форму тела, а не заставлять тело подстраиваться под устройство. Возможно, ее даже можно будет использовать как швы для мониторинга процессов внутри тела».
Исследователи продемонстрировали схемы, способные усиливать сигналы от чувствительных датчиков, а в качестве экспериментального образца для носимых устройств они создали прибор, который можно разместить на виске для отслеживания моргания, и еще один прибор рядом с диафрагмой для отслеживания изменений в характере и частоте дыхания. Эти демонстрации позволяют предположить, что однажды эта технология ляжет в основу мягких носимых систем для мониторинга здоровья, стресса и других состояний.